基于參數(shù)解調(diào)方法的ECT技術(shù)探究

張軍

山東省菏澤市立醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，山東菏澤 274016

基于參數(shù)解調(diào)方法的ECT技術(shù)探究

張軍

山東省菏澤市立醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，山東菏澤 274016

電容層析成像技術(shù)（Electrical Capacitance Tomography,ECT）屬于一種新型的過(guò)程層析成像技術(shù)，這種技術(shù)是在20世紀(jì)80年代由醫(yī)學(xué)中的CT技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而成。ECT技術(shù)通過(guò)在被測(cè)管道周邊均勻排列電容傳感器而檢測(cè)電容，進(jìn)而利用檢測(cè)到的電容中所包含的投影信息，利用圖像算法重新構(gòu)建內(nèi)部的介質(zhì)分布圖像。參數(shù)解調(diào)是一種新型的信號(hào)解調(diào)方法，在仿真實(shí)驗(yàn)以及圖像重建中具有計(jì)算量小、解調(diào)精度高等優(yōu)點(diǎn)。該次研究主要針對(duì)參數(shù)解調(diào)方法在ECT技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行探究。

電容層析成像；參數(shù)解調(diào)；圖像重建

電容層析成像技術(shù)作為一種新型的過(guò)程成像技術(shù)，在檢測(cè)過(guò)程中聚會(huì)有非侵入、響應(yīng)迅速、成本低一級(jí)可視化等優(yōu)點(diǎn)。一般多相流中的各相介質(zhì)都具有不同的介電常數(shù)，而ECT技術(shù)就是通過(guò)電容敏感機(jī)理，借助電極電容的敏感變化，將被檢測(cè)的物體中的多相介質(zhì)分布反映出來(lái)[1]。在整個(gè)過(guò)程中中，提取電容信息以及數(shù)據(jù)的信息的采集與分析是其中的關(guān)鍵性技術(shù)，一般在對(duì)電容信息進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程中采用的是模擬解調(diào)以及數(shù)字解調(diào)來(lái)完成。參數(shù)解調(diào)是一種新型的解調(diào)方法，這種方法能夠?qū)⒀由煨推绽誓釁?shù)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到ECT技術(shù)中，進(jìn)而通過(guò)建模，用曲線擬合最小二乘法將參數(shù)計(jì)算出來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)解調(diào)[2]。

1 ECT系統(tǒng)的組成

ECT系統(tǒng)中的主要組成部分包括陣列式電機(jī)電容敏感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理部分像重建與分析部分陣列式電極電容敏感系統(tǒng)中主要是由一系列的電極組成，在數(shù)據(jù)采集與處理部分主要有DSP與FPGA兩大主要元件，其中包含了數(shù)據(jù)采集卡、通道切換單元等，另外在圖像的重建與分析部分中，主要是通過(guò)圖像重建算法來(lái)重新構(gòu)建介質(zhì)的分布圖像，ECT系統(tǒng)的組成如下圖1所示[3]。

圖1 ECT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

2 電容檢測(cè)技術(shù)

在ECT技術(shù)中，電極之間的固定電容值比較小，微小電容的檢測(cè)技術(shù)成了ECT技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前在微小電容檢測(cè)過(guò)程中一般是采用交流橋技術(shù)來(lái)完成，如下圖2所示，Cx屬于電極板構(gòu)成的電容，Cs1與Cs2屬于電極兩端的雜散電容。Cs1是與正弦電壓發(fā)生器連接在一起，不會(huì)與Cx的測(cè)量產(chǎn)生影響，Cx2與Cx連接在了一起，但Cx2接地且與運(yùn)算放大器的反向端連在了一起，如果將運(yùn)算放大器的反向端調(diào)為虛地狀態(tài)，則流過(guò)Cx2的電流接近于零，因此也并不會(huì)對(duì)Cx是電容測(cè)量產(chǎn)生影響[4]。一般輸出電壓是

將輸出型號(hào)交由編程放大器來(lái)放大，最后通過(guò)解調(diào)技術(shù)將其中的有用信號(hào)提取出來(lái)而獲取電容信息。

3 ECT技術(shù)中的信號(hào)處理

3.1 數(shù)字濾波

在信號(hào)處理過(guò)程中，一般先將輸出的數(shù)字信號(hào)用濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波，將其中的目標(biāo)信號(hào)提取出來(lái)，再進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)解調(diào)。在數(shù)字濾波過(guò)程中，主要是采用FIR濾波器，這種濾波器的線性相位都比較標(biāo)準(zhǔn)，且結(jié)構(gòu)也比較穩(wěn)定，一般可以采用海明窗函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，海明窗函數(shù)可以讓主瓣寬度盡量窄，同時(shí)可以限制旁瓣的寬度，過(guò)渡帶寬一般為8 πM，精確過(guò)渡帶寬是6.6 π/M，其最小的阻帶衰減是53 dB，其函數(shù)為[5]：

3.2 參數(shù)調(diào)解

參數(shù)調(diào)解是整個(gè)ECT系統(tǒng)中最重要的技術(shù)之一，參數(shù)調(diào)解屬于ECT系統(tǒng)中信號(hào)處理部分，在參數(shù)調(diào)解過(guò)程中主要分為模擬調(diào)解、數(shù)字調(diào)解以及參數(shù)解調(diào)3種解調(diào)方法。參數(shù)解調(diào)方法是新出現(xiàn)的一種信號(hào)解調(diào)方法，這種方法主要是在延伸型普朗尼參數(shù)辨識(shí)的基礎(chǔ)上所建立的。參數(shù)解調(diào)方法在信號(hào)解調(diào)過(guò)程中，一般需要先構(gòu)建一個(gè)具備衰減復(fù)合指數(shù)以及周期信號(hào)，進(jìn)而比較其模型值與實(shí)驗(yàn)值，從中找出模型的信號(hào)參數(shù)。參數(shù)解調(diào)方法中的延伸型普朗尼參數(shù)主要是通過(guò)采集N各數(shù)據(jù)，然后建造出一個(gè)模型，并且設(shè)立P為任意一個(gè)相位、頻率、幅值或者是阻尼系數(shù)的指數(shù)，但N要大于2P[6]。在構(gòu)造模型是可以采用利用離散時(shí)間函數(shù)：

在整個(gè)參數(shù)解調(diào)過(guò)程中，可以選擇3個(gè)指數(shù)作為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)，其中2個(gè)指數(shù)可以根據(jù)正弦波所產(chǎn)生的頻率來(lái)定，在引入第3個(gè)指數(shù)時(shí)，需要考慮殘留偏置的信號(hào)。參數(shù)解調(diào)作為一種新的解調(diào)方法，之所以能夠在短時(shí)間內(nèi)被ECT技術(shù)系統(tǒng)所應(yīng)用，主要就是因?yàn)樵趨?shù)解調(diào)中能夠?qū)CT系統(tǒng)中的所有頻率電容信息進(jìn)行提取，并全部在一次建模中完成，提取的內(nèi)容中包含了幅值以及相位兩個(gè)部分的內(nèi)容，這樣就能夠在圖像重建的過(guò)程中加入更多的有效數(shù)據(jù)，從而使得圖像空間的分辨率更高，最終檢測(cè)出的介質(zhì)圖像也就會(huì)更加清晰，質(zhì)量更高。

4 實(shí)驗(yàn)分析

ECT技術(shù)是從醫(yī)學(xué)CT技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因此這種技術(shù)也是醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的一種重要的檢測(cè)技術(shù)。比如在中藥提取過(guò)程中，由于整個(gè)過(guò)程都處于封閉的[7]容器中進(jìn)行，常規(guī)的探測(cè)方法很難探測(cè)到藥材的內(nèi)部飽和度、顆粒的大小、流量以及流型分布等，但是通過(guò)ECT技術(shù)則能夠探測(cè)出密閉容器中的各種參數(shù)，如果與其它類型的測(cè)量?jī)x表燈配合，還能夠?qū)⒚荛]容器中的流速參數(shù)也探測(cè)出來(lái)，進(jìn)而將各種參數(shù)與影響反饋到主控裝置中，這樣就能夠大大提升中藥提取效率與質(zhì)量。

針對(duì)參數(shù)解調(diào)的ECT技術(shù)效果，該次實(shí)驗(yàn)采用了有機(jī)玻璃制成的圓柱筒，圓柱筒的高度為500 mm，外徑為130 mm，內(nèi)徑為120 mm，外部的屏蔽罩直徑是196 mm。在陣列電極電容系統(tǒng)的過(guò)程中，采用的是12銅電極，軸長(zhǎng)為100 mm，電極的張角θ是26°，電極的寬度是35 mm，在徑向屏蔽電極插入時(shí)的深度是2 mm。在探測(cè)過(guò)程中，主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所有的電極，針對(duì)每一路的電極開(kāi)關(guān)，一般是先打通一路電極作為激勵(lì)電極，并將其它電極進(jìn)行虛地測(cè)量狀態(tài)，從中獲取電容信號(hào)。

在靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中，主要是采用簡(jiǎn)單線性反投影算法來(lái)進(jìn)行，信號(hào)的調(diào)節(jié)方法主要采用參數(shù)解調(diào)方法，同時(shí)也采用了模擬解調(diào)來(lái)比較不同解調(diào)方法所檢測(cè)出的影響質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)前在管中的不同位置放入聚乙烯粒子，從而模擬出環(huán)狀流以及層狀流，進(jìn)而分析參數(shù)解調(diào)的ECT成像質(zhì)量[8]。

通過(guò)ECT技術(shù)進(jìn)行探測(cè)后發(fā)現(xiàn)，采用參數(shù)解調(diào)方法的ECT系統(tǒng)所探測(cè)出的影像質(zhì)量要比其它解調(diào)方法好，相比與模擬解調(diào)方法所得到的圖像質(zhì)量要更清晰，層次更加的分明，成像的結(jié)果如下圖2所示，通過(guò)參數(shù)解調(diào)技術(shù)所得到的ECT系統(tǒng)影像，完全能夠在醫(yī)學(xué)探測(cè)中進(jìn)行應(yīng)用，為醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供幫助。

圖2 層狀流與環(huán)狀流的實(shí)驗(yàn)成像圖

5 結(jié)語(yǔ)

ECT技術(shù)作為一種先進(jìn)的層析成像技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中如果能夠得到有效的應(yīng)用，可以為醫(yī)學(xué)行業(yè)的發(fā)展提供很多助力。通過(guò)本次的研究可以發(fā)現(xiàn)，ECT技術(shù)主要是通過(guò)采集電極電容的信息，繼而進(jìn)行信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及信息解調(diào)重建介質(zhì)構(gòu)成影像，能夠?qū)⒎忾]空間中的物質(zhì)在不介入的情況下進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)參數(shù)解調(diào)作為一種新型的解調(diào)方法，在ECT系統(tǒng)中應(yīng)用能夠得到良好的效果，因此建議在ECT技術(shù)探測(cè)中可以采用參數(shù)解調(diào)方法來(lái)分析數(shù)據(jù)信息，提升ECT技術(shù)的成像效果。

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R445

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1672-5654（2017）06（a）-0062-02

10.16659/j.cnki.1672-5654.2017.16.062

2017-03-11）

張軍（1979-），男，山東菏澤人，本科，主治醫(yī)師，研究方向:醫(yī)學(xué)影像學(xué)。